上海建筑设计研究院有限公司 上海 200041
提要：虹桥商务区特色塔是一座椭圆斜塔，在三层处两侧各有一道连廊与其它建筑连通。斜塔外围为钢框架结构，电梯筒采用混凝土结构。连廊设置为简支钢桥梁形式。连廊与两侧结构之间设置盆式橡胶支座。连廊结构设计需控制构件的应力大小；控制连廊的变形在规范允许范围内；支座顺桥向转角能力应不小于计算转角；连廊设计应达到舒适度的设计要求；连廊结构尚应具有足够的抗倾覆能力；支座是否有拉力作用，是连廊设计的关键所在。连廊的支座荷载，按各工况的支座反力进行坐标变换后，作为附加点荷载施加到斜塔的支座点上。斜塔设计需重点控制结构的位移、位移比以及抗扭转性能。
对结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，钢连廊与主体结构之间抗震缝宽度的留设，应考虑大震作用的影响。连廊支座设计应进行相关的验算：抗弯承载力验算、抗剪承载力验算、裂缝宽度验算、长期挠度验算等。
关键词：连廊，斜塔，支座，舒适度，抗倾覆，挠度
1 工程概况
虹桥商务区核心区一期06地块D17街坊中的特色塔是一座椭圆斜塔，长、短轴方向分别约为13.6m和9.2m，斜度8°，从B1层至三层总高约21m。塔中设有一部电梯和一部楼梯。在三层处两侧各有一道连廊与其它建筑(混凝土结构)连通。左侧连廊与新天地6#的三层连通，跨度约为22.5m，右侧连廊与酒店的二层连通，跨度约为14.9m。特色塔建筑平面及剖面图如图1、图2所示。
图1 特色塔与连桥平面示意图 图2 特色斜塔剖面图
斜塔外围围钢框架结构，电梯筒采用混凝土结构，楼梯为钢梯。连廊设置为简支钢桥梁形式。楼板采用总厚150mm组合楼板。连廊与斜塔之间设置盆式橡胶支座
2左侧连廊结构设计
连廊所有钢构件均为焊接H型钢，材料为Q345B。其中，GBL-1和GBL-2为H1000x600x20x30；支座处截面有突变，左支座500mm范围内截面为H500x600x20x30，右支座550mm范围内截面为H500x350x20x30，GBL-4为H1000x600x16x30，GBL-8为H300x200x8x12，GBL-3为变截面梁，为H1000/400x600x16x30，如图3所示：
图3 连廊结构计算简图
根据连廊的受力特性，将上述荷载工况按下列组合对结构进行设计，见表1：
表1 荷载组合表
2.1 组合1下钢梁的综合应力，见图4至图7：
图8 钢梁挠度
从以上分析中可以看到，所有钢梁在各个工况组合下的应力以自重和人群荷载的贡献为主，且应力水平都不超过200MPa，钢梁的强度是满足要求的。钢梁跨中的挠度为跨度的1/410，能满足挠度限值要求。
2.3 组合1及组合2下支座顺桥向的转角见表2
表2 支座顺桥向转角（rad）
为保证支座的安全，其顺桥向转角能力应不小于计算转角，考虑其它偶然因素，规定支座的转角能力为0.02rad。
2.4 竖向舒适度
在计算连廊结构的频率时，考虑组合楼盖对钢梁GBL-1和GBL-2刚度的放大。
图9 连廊第一竖向振型及频率
连廊的第一竖向振型为3.3Hz，满足设计要求。
楼盖的振动峰值加速度为：
满足规范限值0.205m/s2。
人群激励时程分析，采用GSA的footfall模块进行人群激励时程分析：
选择对所有节点进行激励，阻尼比为0.01，按100个76kg的人群脚步进行激励，步频为1.0~2.5s。分析的响应因子分布见图10。
图10 人群激励响应因子
计算结果表明：人群激励响应因子不超过24，峰值加速度不超过0.15m/s2，结构的舒适度满足设计要求。
连廊支座反力
各工况下支座反力标准值见表3：
表3 各工况下支座反力标准值
2.6抗倾覆分析：
当所有人群荷载（按5kPa）都集中在连廊一侧的悬挑段时，此时的支座反力见图11：
图11 不均匀荷载下的支座反力
由图11可知，在不均匀荷载下，支座均未出现拉力，因此认为连廊结构具有足够的抗倾覆能力，支座不必进行抗拉设计。
3椭圆斜塔结构设计
椭圆斜塔外围采用钢框架，内侧局部采用现浇钢筋混凝土剪力墙。钢梁及钢柱均采用Beam单元模拟，楼板采用Deck单元，并不考虑面内外的刚度。其中，柱脚按铰接计算，越层的各柱其计算长度取其BM~3F之间的实际长度。采用ETABS进行建模计算。
图12 椭圆斜塔三维模型
按X向、Y向和XY双向地震分别定义反应谱工况，阻尼比取0.035。 7度设防，IV类场地。地震工况考虑5%偶然偏心。
在3F，左侧连廊的支座荷载，按表4各工况的支座反力进行坐标变换后，作为附加点荷载施加到斜塔的支座点上。荷载标准值见表3。
在计算中考虑p-Δ效应；在ETABS中选择钢框架设计组合对各钢构件进行设计。
3.1 椭圆斜塔的周期，见表5
表5椭圆斜塔的周期
由上表可见，结构第一扭转周期和第一平动周期的比为0.70，满足周期比的要求。
3.2斜塔各楼层剪力及剪重比，见表6
表6各楼层剪力及剪重比
由上表可见，结构的剪重比满足规范要求。
3.3 斜塔楼层位移
结构从BM~3F之间没有楼板，可按越层算一层，层高11450mm。
X向地震下各层竖向构件的X向位移见表7：
表7X向地震下各层竖向构件的X向位移
Y向地震下各层竖向构件的Y向位移见表8：
表8 Y向地震下各层竖向构件的Y向位移
由表7~表8可以看出，结构满足框架-剪力墙结构的位移角限值。位移比未超过1.5，因此结构的位移以及抗扭转性能是满足要求的。
3.4 斜塔构件验算
柱的设计应力比见图13：
由图13可见，仅有一根柱的应力比超过0.95，但未到1.0。考虑到柱按两端铰接取跨3层的几何长度为计算长度，而实际情况下在越层间是有一定约束的，因此可以认为柱的设计仍有一定余量。柱的强度是满足要求的。
图13 钢柱设计应力比
梁的设计应力比：由图14、图15可知，各层梁满足设计要求。
图14 BM层梁设计应力比 图15 三层梁设计应力比
3.5 斜塔罕遇地震下的弹塑性时程分析
将模型导入sap2000（v14）中，采用分层壳单元，按实际配筋模拟钢筋混凝土核心筒墙的非线性，并在各柱的柱端设置PMM铰，选用上海人工波I、II、III进行罕遇地震下的弹塑性时程分析（仅取前15s）。每条波按两个主方向考虑双向地震输入，即主方向比例1.0，正交方向比例0.85。各时程分析中结构同一根柱的BM层、3F层位移以及顶点位移；核心筒洞边墙肢的混凝土及钢筋应力。
结构各层的位移在混凝土进入塑性时，由于混凝土墙刚度退化，均产生了明显的突变。记录下各工况最大位移值，计算罕遇地震下结构各层的弹塑性位移角，结果见表9。结构的弹塑性位移角均小于规范限值1/100。在所有时程工况中，钢结构均未出现塑性铰。
表9罕遇地震下结构各层的弹塑性位移角
图16 支座布置示意图
4 连廊支座设计
连廊与新天地相连处是通过塔楼悬挑混凝土牛腿梁提供竖向支承，牛腿梁设计时根据基本承载力工况下的单个支点的最大竖向力进行牛腿的承载力设计，外力标准值：
FDK=350KN，FLK=150KN。
牛腿梁设计时按照正常使用阶段的基本组合控制截面的裂缝，裂缝控制0.2mm。验算截面取在牛腿梁根部，考虑支座位移，验算跨度取1025+250+100=1375mm，验算截面为1200x450。
钢连桥与主体结构之间抗震缝的宽度留设，应考虑大震作用的影响。连桥支座设计需进行相关的验算：抗弯承载力验算、抗剪承载力验算、裂
缝宽度验算、长期挠度验算等。
5结论
钢结构连廊结构设计的关键，在于控制杆件的应力，控制连廊的变形及支座桥向的转向。连廊设计应充分考虑舒适度的要求，同时应考虑不均匀荷载作用下的抗倾覆能力，使连廊设计在安全性、可靠性和合理性等各方面都得到保障。
控制连廊两侧结构的位移以及抗扭转性均能满足设计要求。对结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，钢连廊与主体结构之间抗震缝宽度的留设，应考虑大震作用的影响。
连桥支座设计需进行抗弯承载力、抗剪承载力、裂缝宽度、挠度等验算。
参考文献
[1]GB50017-2003钢结构设计规范 北京：中国计划出版社，2003
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范 北京：中国建筑工业出版社，2010
[3]DGJ08-9-2013 上海市建筑抗震设计规程[S].上海：上海市建筑建材业市场管理总站，2013
论文作者:刘艺萍
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
标签：支座论文; 斜塔论文; 位移论文; 结构论文; 荷载论文; 工况论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第24期论文;